Biomembranas Profa. Ana Paula Ulian de Araújo IFSC, USP
As biomembranas formam estruturas fechadas
A estrutura da bicamada é similar para as biomembranas; Composição: lipídica e protéica; Delimitam a célula e seus compartimentos; Controlam o movimento de moléculas;
Esquema dos principais componentes da arquitetura celular eucariótica
Face exoplásmica
Face citosólica
Faces das membranas celulares
Efeito hidrofóbico dos lipídeos: H2O se organiza ao redor
Fosfolipídeos formam espontaneamente bicamadas lipídicas
Membranas • São estruturas dinâmicas, fluidas: a maioria das moléculas é capaz de se mover no plano da bicamada!
• São “auto-selantes”: rearranjamse para eliminar ângulos livres.
Bicamada da membrana
Micrografia eletrônica de uma secção da membrana de um eritrócito.
Grupos de cabeças polares
Caudas hidrofóbicas
Grupos de cabeças polares
Propriedades da bicamada • Barreira impermeável a compostos hidrofílicos; • Estabilidade: mantida via interações hidrofóbicas e van de Waals mantém sua arquitetura mesmo com variações de pH e força iônica do ambiente externo
Permitem gradientes iônicos!
Composição lipídica das células animais: muitas possibilidades
Fosfolipídeos Fosfoglicerídeos
Esfingolipídeos
Glicolipídeos Gangliosídeos Galactocerebrosídeo
Fosfatidilserina Fosfatidiletanolamina Fosfatidilcolina Fosfatidilinositol
Esfingomielina
Ác. siálico
Colesterol
Composição lipídica Fosfoglicerídeos
Cabeça polar
(fosfatidilcolina) Colesterol
Esfingolipídeos (esfingomielina)
Glicolipídeos Gangliosídeo GM1
TODOS SÃO MOLÉCULAS ANFIPÁTICAS !
As partes de um fosfolipídeo (fosfoglicerídeo):
Fosfatidilcolina
Os maiores componentes lipídicos das membranas biológicas são fosfolipídeos
Fosfoglicerídeos
Fosfoglicerídeos
Cabeça polar
As 2 cadeias acil graxas podem diferir: - No número de C (~14 a 24); - No grau de insaturação (0, 1 ou 2 =);
Cauda hidrofóbica
O fosfoglicerídeo é classificado segundo a natureza de sua cabeça polar.
Fosfoglicerídeos
Esfingolipídeos esfingomielina
Derivados da esfingosina = um álcool amino com uma longa cadeia de hidrocarbonos. A SM, é o esfingolipídeo mais abundante (é um fosfolipídeo também)
Fosfolipídeos dispersos em água espontaneamente formam esferas chamadas lipossomas.
Cavidade aquosa
Variam de 25nm até 1 um de diâmetro
Fluidez da bicamada: Uma bicamada de fosfolipídeos pode existir em 2 estados físicos dependendo da temperatura: - estado gel: em baixas temperaturas (baixa fluidez no plano da bicamada) - estado fluido (aumento temperatura) Membranas biológicas são fluidas... A temperatura de transição de fase (mudança de fluido para gel) é dita temperatura de transição. depende da natureza química dos componentes da membrana.
Forma gel e fluida dos fosfolipídeos da bicamada
Efeito da insaturação nos ác. graxos
Efeito na bicamada
FLUIDEZ Cadeias acil graxas insaturadas = menos interações …membrana + fluida Cadeias acil graxas curtas= > fluidez Longas caudas saturadas= menor fluidez
bactérias, leveduras adaptam-se: sob altas T produzem lípideos com caudas mais longas e saturadas Plantas: produzem lipídeos insaturados (fluidos) Animais: já produzem gorduras saturadas, portanto, seus lipídeos são mais “sólidos”
Fluidez Fluidez da bicamada dependende de sua composição e da temperatura Fluidez permite: • rápida difusão das proteínas de membrana no plano da bicamada • interação com outras proteínas • fusão de membranas diferentes com a consequente redistribuição dos lipídeos e proteínas
Movimento dos lipídeos nas bicamadas • A movimentação térmica permite que as moléculas lipídicas movimentem-se no plano da bicamada.
Difusão lateral 107x/seg
Rotação
“flip-flop” é raro
A bicamada de muitas membranas não é composta exclusivamente de fosfolipídeos, frequentemente há também:
COLESTEROL e GLICOLIPÍDEOS
Colesterol
Especialmente abundante nas membranas plasmáticas de células de mamíferos. Não pode formar estrutura de bicamada, exceto quando misturado a fosfolipídeos.
O colesterol apresenta efeito de ordenamento na bicamada de PC
Colesterol = em concentrações normais, tende a tornar as membranas menos deformáveis e menos permeáveis à água, mas não menos fluidas. ↑[colesterol] = inibe possíveis transições de fase para cristalização
Composição de lipídeos x propriedades físicas da membrana • As propriedades características de cada membrana são dadas por uma composição particular de lipídeos; • Podem refletir uma especialização
Efeito da composição de lipídeos na curvatura da membrana
A assimetria da bicamada • A composição lipídica das 2 monocamadas da bicamada é distinta! • Essa assimetria é funcionalmente importante, principalmente na sinalização;
Diminuem a fluidez
Glicolipídeos
Glicolipídeos • Encontrados na superfície de todas as membranas plasmáticas • Lipídeos com maior assimetria de distribuição nas membranas; • Localizam-se exclusivamente na monocamada nãocitosólica, principalmente em microdomínios
Face não-citosólica
Microdomínios • A maior parte dos tipos de lipídeos de membrana está misturada ao acaso na monocamada; • Alguns lipídeos e proteínas podem unir-se temporariamente em pequenos microdomínios especializados (lipid rafts ou balsas lipídicas); – Comuns nas membranas animais, são ricos em esfingolipídeos e colesterol; – Bicamada é mais espessa e pode acomodar melhor certas proteínas.
Membranas biológicas
As quantidades e tipos de proteínas das membramas são altamente variáveis
Proteínas de membrana • A bicamada lipídica promove a estrutura básica de todas as membranas celulares e é uma barreira semipermeável a moléculas. • A maior parte das funções da membrana são desempenhadas pelas proteínas de membrana. Podem ser: - transportadoras; âncoras; receptoras e enzimas
Como as proteínas de membrana se associam a bicamada lipídica?
Bicamada lipídica
Proteínas ancoradas a lipídeos Proteínas integrais de membrana: é preciso “desmontar” a bicamada para extraí-las.
Proteínas periféricas de membrana
“Barris” de fitas β podem atravessar a membrana
periplasma
Modelo de uma porina (OmpX) encontrada na membrana externa de E. coli
Barris β formados a partir de diferentes números de fitas β (1) E. coli OmpA (8 fitas β) serve como um receptor viral. (2) E. coli OMPLA (12 fitas β) é uma lipase (3) Porina de Rhodobacter capsulatus, que forma poros na memb. ext. (4) E. coli FepA (22 fitas β) é um tranportador de íons. Dentro do barril há um domínio globular (azul) que liga ferro.
As hélices α embebidas na membrana são as estruturas secundárias predominantes nas proteínas transmembrana
Modelo estrutural da bacteriorrodopsina, que atua como fotorreceptor em algumas bactérias (exporta H+ ativamente)
Proteínas transmembrana Domínio exoplásmico - Polipeptídeo que se extende da membrana para o lado externo da célula ou para o lúmen de organelas. - Obedece as mesmas regras que as proteínas solúveis, pode ter funções variadas e é frequentemente glicosilado. Domínio citoplásmico - Polipeptídeo que se extende da membrana para o citoplasma da célula. Também é solúvel. - Geralmente há 2 aminoácidos carregados (+) imediatamente após o domínio transmembrana.
Domínio exoplásmico
Domínio citoplásmico
Plotagem de hidropatia para localizar potenciais segmentos de α-hélice que atravessam a membrana
Glicoforina: Proteína de Membrana Unipassagem
Plotagem de hidropatia para Bacteriorrodopsina: 7 α-hélices transmembrana
Proteínas de membrana multipassagem
Solubilização de proteínas integrais de membrana
Proteínas Periféricas de Membrana: Não interagem com a bicamada, ligam-se não-covalentemente à: - proteínas integrais de membrana (interações eletrostáticas e/ou ligações de hidrogênio) ou - superfície da própria bicamada (interações eletrostáticas)
The photosynthetic reaction centre of a purple bacterium Proteína extracelular periférica de membrana
Proteína Integral de membrana (multi-passo com 11 hélices TM)
Proteína Intracelular periférica de membrana
Proteínas ancoradas à Lipídeos : lipídeos ligados covalentemente à proteína. A proteína em si não penetra na bicamada.
Fenilação
Acilação
As proteínas de membrana são móveis • Dependendo do tipo celular, 30 a 90% das proteínas de membrana são móveis; A taxa de difusão lateral na membrana intacta é ~10 a 30 x mais baixa do que da mesma proteína em lipossomos;
mobilidade restrita por interações com o citoesqueleto!
Formas de restringir a mobilidade lateral de proteínas: A) Auto-agrupamento; B e C) interações com macromoléculas; D) Interação com proteínas de superfície.
FRAP
Referências • Alberts, B. Biologia Molecular da Célula - 5ª Ed., Editora: Artmed, 2010. • Niemelä, P. S. Membrane Proteins Diffuse as Dynamic Complexes with Lipids. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (22), pp 7574–7575 | DOI: 10.1021/ja101481b
